(57)【要約】【課題】排出した冷却水を適切なタイミングで再充填して凝縮水の発生を防止することのできる燃料電池制御装置を提供する。【解決手段】本発明の燃料電池制御装置３は、燃料電池の始動時に燃料電池２を循環する冷却水を排出して燃料電池２の温度を制御するものであって、冷却水が排出されている場合に、燃料電池２の温度と冷却水の温度とに基づいて、冷却水を燃料電池へ再充填するか否かを判定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の始動時に前記燃料電池を循環する冷却水を排出して前記燃料電池の温度を制御する燃料電池制御装置であって、
前記冷却水が排出されている場合に、前記燃料電池の温度と前記冷却水の温度とに基づいて、前記冷却水を前記燃料電池へ再充填するか否かを判定することを特徴とする燃料電池制御装置。
【請求項２】
前記燃料電池に前記冷却水を再充填するときには、前記冷却水の温度に基づいて、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの流量を補正することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池制御装置。
【請求項３】
前記燃料電池に前記冷却水を再充填するときには、前記冷却水の温度に基づいて、前記燃料電池に供給される燃料ガスの流量を補正することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の燃料電池制御装置。
【請求項４】
前記燃料電池に前記冷却水を再充填するときには、前記冷却水の温度に基づいて、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの加湿量を補正することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池制御装置。
【請求項５】
前記燃料電池に前記冷却水を再充填するときには、前記冷却水の温度に基づいて、前記冷却水の流量を補正することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温始動時に冷却水を排出して燃料電池の温度を制御する燃料電池制御装置に係り、特に排出した冷却水を適切なタイミングで再充填する燃料電池制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスとを電気化学反応によって反応させて起電力を発生させている。そして、この燃料電池における反応は発熱反応であるために、燃料電池には冷却水が循環されて燃料電池を冷却するように構成されている。
【０００３】
ところが、氷点下において発電を開始する場合には、発電反応によって生成した水が電極の表面で凍結し、電極への酸素の供給を妨げてしまうことにより、発電効率が悪化してしまう。
【０００４】
そこで、従来では低温時に燃料電池を始動させる場合には、始動直前に冷却水を排出するようにしており、このような燃料電池スタックの従来例として、例えば特開２００３−２５７４６０号公報（特許文献１）が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−２５７４６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例では、始動後に所定の温度に達すると冷却水を再充填するようにしているが、再充填時に燃料電池スタックの温度を低下させてしまうために、燃料電池スタック内で凝縮水が発生して燃料電池の運転が不安定になってしまうという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池制御装置は、燃料電池の始動時に燃料電池を循環する冷却水を排出して燃料電池の温度を制御する燃料電池制御装置であって、燃料電池を循環する冷却水が排出されている場合に、燃料電池の温度と冷却水の温度とに基づいて、冷却水を燃料電池へ再充填するか否かを判定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る燃料電池制御装置では、燃料電池の温度と冷却水の温度とに基づいて冷却水を燃料電池に再充填するか否かを判定するので、冷却水を再充填したことにより燃料電池が低温になり、凝縮水を発生させて燃料電池の運転が不安定になることを防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池制御装置を備えた燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【０００９】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池２と、燃料電池システム１を制御して低温時に排出された冷却水を再充填する燃料電池制御装置３と、燃料ガスである水素ガスを貯蔵する水素タンク４と、水素タンク４から供給される水素ガスの流量を制御する水素流量制御弁５と、水素ガスの圧力を検出する水素圧力センサ６と、水素ガスの温度を検出する水素温度センサ７と、酸化剤ガスである空気を加圧して燃料電池２に供給する空気コンプレッサ８と、空気の圧力を検出する空気圧力センサ９と、空気の温度を検出する空気温度センサ１０と、燃料電池２から排気されるガスの流量を制御するスロットル弁１１と、燃料電池２から排気されるガスの圧力を検出する排気ガス圧力センサ１２と、燃料電池２に冷却水を循環させる冷却水ポンプ１３と、循環する冷却水の熱を放熱するためにラジエタに冷却風を送風するラジエタファン１４と、冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ１５と、燃料電池スタックの温度を検出する燃料電池温度センサ１６と、循環する冷却水を貯留する冷却水貯留タンク１７と、冷却水の流れを制御する制御弁Ｂ１〜Ｂ６と、燃料電池２に供給される空気を加湿する加湿器１８と、加湿器１８をバイパスする吸気ラインに配置された制御弁Ｂ７とを備えている。
【００１０】
ここで、燃料電池２は、アノードに燃料ガスである水素ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスである空気が供給されて（１）式及び（２）式に示す電気化学反応によって発電している。
【００１１】
アノード（水素極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                     （１）
カソード（酸素極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ         （２）
燃料電池制御装置３は、入力信号として燃料電池システム１の搭載された車両の運転者からの要求負荷や冷却水の温度、空気の温度と圧力、水素ガスの温度と圧力、排気ガスの圧力、燃料電池スタックの温度などが入力されている。そして、これらの入力信号に基づいて燃料電池制御装置３は、燃料電池２を循環する冷却水が排出されている場合に、燃料電池２の温度と冷却水の温度とに基づいて、冷却水を燃料電池２へ再充填するか否かを判定する再充填判定処理を行う。そして、この再充填判定処理の結果に基づいて、出力信号として制御弁Ｂ１〜Ｂ７への制御信号や空気コンプレッサ８の回転数、水素流量制御弁５の制御信号、冷却水ポンプ１３の回転数、加湿器１８による加湿量、スロットル開度の制御信号などを出力する。
【００１２】
このように構成された燃料電池システム１において、水素タンク４から水素流量制御弁５を通じて燃料電池２のアノードに水素ガスが供給される。このとき、水素タンク４から供給される水素ガスの圧力と温度が、水素圧力センサ６と水素温度センサ７によってそれぞれ検出されている。一方、酸化剤ガスである空気は、空気コンプレッサ８で加圧されて燃料電池２のカソードに供給される。このとき、コンプレッサ８に吸気される空気の圧力と温度が、空気圧力センサ９と空気温度センサ１０によってそれぞれ検出されている。そして、燃料電池２の反応で消費されずに残ったガスやカソードの反応によって生成された水蒸気はスロットル弁１１を通じて排気される。このとき排気ガス圧力センサ１２によって排気されるガスの圧力が検出されている。なお、燃料電池２から排出されるガス中の水蒸気の一部は、加湿器１８により吸気側のガスへ移動される。即ち、加湿器１８は、排気ガス中の水蒸気を用いて吸気ガスを加湿する。
【００１３】
また、冷却水は、冷却水貯留タンク１７から冷却水ポンプ１３によって冷却水路へ送出され、燃料電池２の熱を吸熱して冷却水路内を循環し、ラジエタファン１４から送られる冷却風によって放熱される。このとき燃料電池２における冷却水の温度が冷却水温度センサ１５によって検出され、検出された温度に基づいて燃料電池制御装置３が各制御弁Ｂ１〜Ｂ６を制御している。
【００１４】
次に、本実施形態の燃料電池制御装置３による冷却水の再充填判定処理を図２のフローチャートに基づいて説明する。図２に示すように、まず運転開始信号によって燃料電池スタックの運転が開始されると（Ｓ２０１）、燃料電池２に要求される負荷をアクセル開度などから検知し（Ｓ２０２）、さらに時間を検知する（Ｓ２０３）。次に、燃料電池制御装置３は空気コンプレッサ８の回転数を制御して燃料電池スタックへ空気の供給を開始するとともに（Ｓ２０４）、水素流量制御弁５の開度を制御して燃料電池スタックへ水素の供給も開始して（Ｓ２０５）燃料電池スタックにおける発電を開始する（Ｓ２０６）。
【００１５】
燃料電池スタックにおける発電を開始した後、燃料電池制御装置３は燃料電池スタックにおける冷却水の温度検知を開始し、冷却水温度センサ１５で検出された温度が所定値Ａよりも高いか否かを判定する（Ｓ２０７）。この所定値Ａは冷却水の排出を行なうか否かを判定する温度であり、この所定値Ａよりも冷却水の温度が低い場合、例えば−１０℃以下の場合（Ｓ２０７においてＮＯ）には後述するステップＳ２０９において冷却水を排出する判定が行なわれる。逆に冷却水の温度が所定値Ａよりも高い場合（Ｓ２０７においてＹＥＳ）には冷却水は排出されずに燃料電池２は通常の運転を行なうことができる。
【００１６】
ステップＳ２０７において冷却水の温度が所定値Ａ以下のときには、ステップＳ２０８に進み、燃料電池制御装置３はＦＬＡＧ＝１であるか否かを判断する（Ｓ２０８）。このＦＬＡＧは後述するように冷却水が排出されるとＦＬＡＧ＝１に設定されるものである。
【００１７】
そして、ＦＬＡＧ＝１でないときには、次に冷却水の排水を実施するか否かを判定する排水判定を行う（Ｓ２０９）。この排水判定では、冷却水の温度が−１０℃以下のときに燃料電池スタックが運転開始直後に凍結あるいは、運転不可能となる可能性があると判断して冷却水を排出するように判定する。
【００１８】
こうして冷却水を排出するか否かを判定し、冷却水を排出しないと判定したときにはステップＳ２０７に戻って再び上述した処理を繰り返し行う。一方、冷却水を排出すると判定したときには、燃料電池制御装置３は排出する冷却水の温度を検知してから（Ｓ２１０）制御弁Ｂ１〜Ｂ６を制御して冷却水を冷却水貯留タンク１７に排出する（Ｓ２１１）。そして、冷却水の排出が終了すると（Ｓ２１２）、ＦＬＡＧ＝１に設定して（Ｓ２１３）ステップＳ２０７に戻って再び上述した処理を繰り返し行う。
【００１９】
次に、ステップＳ２０８においてＦＬＡＧ＝１の場合について説明する。ステップＳ２０８においてＦＬＡＧ＝１の場合には、次に冷却水を再充填するか否かを判定する再充填判定を行う（Ｓ２１４）。
【００２０】
ここで、この再充填判定を図３に基づいて説明する。図３は、冷却水を再充填したとしても燃料電池２が運転不能になったり、凍結したりしないような温度領域を予め実験により求めて設定したマップである。図３に示すように、この再充填判定では、冷却水温度が所定値Ａ、例えば−１０℃よりも高いときには冷却水を再充填しても燃料電池が運転不能になったり、凍結したりしないと判断して冷却水を再充填する。ただし、ヒータ等の何らかの加熱手段を備えている場合には、排水判定のときと同じ所定値Ａではなく、その他の値を設定してもよい。
【００２１】
一方、冷却水の温度が所定値Ａ以下のときには、燃料電池スタックの温度と冷却水の温度に基づいて冷却水の再充填を行うようにする。図３に示すように、冷却水の温度が所定値Ａ以下のときには、冷却水の温度が低くなればなるほど、燃料電池スタックの温度が高くならなければ冷却水の再充填を行わないように制御する。例えば、冷却水の温度が−３０℃の場合には、燃料電池スタックの温度が３０℃以上にならなければ冷却水の再充填を行わないようにする。
【００２２】
これにより、冷却水の温度だけでなく燃料電池スタックの温度も考慮して冷却水を再充填するか否かを判定することができるので、再充填時に燃料電池スタックの温度が低くなり過ぎて凝縮水が発生し、運転が不安定になることを防止することができる。また、再充填時の冷却水の温度が高めの場合には燃料電池スタックの温度が低いときから冷却水の再充填を開始できるので、再充填が完了するまでの時間を短縮することができ、安定した発電を行うことができる。
【００２３】
このようにして冷却水の再充填判定を行い、冷却水を再充填すると判定するまで繰り返し、再充填判定を行う。冷却水を再充填すると判定したときには、次に再充填時における補正値の読み込みを行う（Ｓ２１５）。
【００２４】
この補正値としては、燃料電池２に供給される空気量や燃料電池２に供給される燃料ガスの量、燃料電池２に供給される空気の加湿量、冷却水の流量がある。
【００２５】
まず、図４に基づいて燃料電池２に供給される空気量の補正について説明する。図４に示すように、冷却水の温度が所定値Ａ以下の場合には、再充填する冷却水の温度が低くなればなるほど燃料電池２に供給する空気量が多くなるように補正する。これにより、冷却水の温度が低い場合には供給する空気量を増やすことによって凝縮水の発生を防止する。
【００２６】
次に、図５に基づいて燃料電池２に供給される燃料ガスの流量の補正について説明する。図５に示すように、冷却水の温度が所定値Ａ以下の場合には、再充填する冷却水の温度が低くなればなるほど燃料電池２に供給する燃料ガスの流量が多くなるように補正する。これにより、冷却水の温度が低い場合にはパージを行い、循環ポンプを使用する場合には循環比を大きくして凝縮水の発生を防止する。
【００２７】
さらに、図６に基づいて燃料電池２に供給される空気の加湿量の補正について説明する。図６に示すように、冷却水の温度が所定値Ａ以下の場合には、再充填する冷却水の温度が低くなればなるほど燃料電池２に供給する空気の加湿量を少なくなるように補正する。この補正方法としては、加湿器１８が燃料電池２からの排気を用いて水透過膜によって加湿する方式の場合には制御弁Ｂ７を開いて吸気ガスをバイパスさせたり、加湿器１８が水供給装置の場合には水噴射量を低下させたりする。これにより、冷却水の温度が低い場合には供給する空気の湿度を減らすことによって凝縮水の発生を防止する。
【００２８】
また、図７に基づいて燃料電池２に供給される冷却水の流量の補正について説明する。図７に示すように、冷却水の温度が所定値Ａ以下の場合には、再充填する冷却水の温度が低くなればなるほど冷却水の流量を減らすように補正する。これにより、冷却水の温度が低い場合には冷却水の流量を減らすので、燃料電池スタックの温度低下を小さくすることができ、凝縮水の発生を防止する。
【００２９】
上述したように、図４〜図７で示した補正のいずれか、あるいはすべての補正値の読み込みが行われて、これらの補正値に基づいて燃料電池制御装置３による補正が実行されると、次に燃料電池制御装置３は制御弁Ｂ１〜Ｂ６を制御し、冷却水ポンプ１３を駆動して冷却水の再充填を開始し（Ｓ２１６）、冷却水の再充填が終了する（Ｓ２１７）。
【００３０】
このように、本実施形態の燃料電池制御装置３では、燃料電池２の温度と冷却水の温度とに基づいて、冷却水を燃料電池２へ再充填するか否かを判定するので、冷却水の温度だけでなく燃料電池２の温度も考慮して冷却水を再充填するか否かを判定することができ、これによって再充填時に燃料電池２の温度が低くなり過ぎて凝縮水が発生し、燃料電池２の運転が不安定になることを防止することができる。また、再充填時の冷却水の温度が高めの場合には燃料電池２の温度が低い時点から冷却水の再充填を開始できるので、再充填が完了するまでの時間を短縮することができ、安定した発電を行うことができる（請求項１の効果）。
【００３１】
また、本実施形態の燃料電池制御装置３では、燃料電池２に冷却水を再充填するときに、冷却水の温度に基づいて燃料電池２に供給される空気の流量を補正するので、冷却水の温度が低い場合には供給する空気量を増やすことによって凝縮水の発生を防止することができる（請求項２の効果）。
【００３２】
さらに、本実施形態の燃料電池制御装置３では、燃料電池２に冷却水を再充填するときに、冷却水の温度に基づいて燃料電池２に供給される水素ガスの流量を補正するので、冷却水の温度が低い場合にはパージを行い、循環ポンプを使用する場合には循環比を大きくして凝縮水の発生を防止することができる（請求項３の効果）。
【００３３】
また、本実施形態の燃料電池制御装置３では、燃料電池２に冷却水を再充填するときに、冷却水の温度に基づいて燃料電池２に供給される空気の加湿量を補正するので、冷却水の温度が低い場合には供給する空気の湿度を減らすことによって凝縮水の発生を防止することができる（請求項４の効果）。
【００３４】
さらに、本実施形態の燃料電池制御装置３では、燃料電池２に冷却水を再充填するときに、冷却水の温度に基づいて冷却水の流量を補正するので、冷却水の温度が低い場合には冷却水の流量を減らすことによって、燃料電池２の温度低下を小さくし、凝縮水の発生を防止することができる（請求項５の効果）。
【００３５】
以上、本発明の燃料電池制御装置について、図示した実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
低温時に冷却水を排出して燃料電池の温度を制御する燃料電池制御装置に係り、特に排出した冷却水を適切なタイミングで再充填して凝縮水の発生を防止するための技術として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池制御装置を備えた燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池制御装置による再充填判定処理を示すフローチャートである。
【図３】本発明の燃料電池制御装置による再充填判定の判定方法を示す図である。
【図４】本発明の燃料電池制御装置による供給する空気の流量の補正方法を示す図である。
【図５】本発明の燃料電池制御装置による供給する水素ガスの流量の補正方法を示す図である。
【図６】本発明の燃料電池制御装置による供給する空気の加湿量の補正方法を示す図である。
【図７】本発明の燃料電池制御装置による冷却水の流量の補正方法を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  燃料電池システム
２  燃料電池
３  燃料電池制御装置
４  水素タンク
５  水素流量制御弁
６  水素圧力センサ
７  水素温度センサ
８  空気コンプレッサ
９  空気圧力センサ
１０  空気温度センサ
１１  スロットル弁
１２  排気ガス圧力センサ
１３  冷却水ポンプ
１４  ラジエタファン
１５  冷却水温度センサ
１６  燃料電池温度センサ
１７  冷却水貯留タンク
１８  加湿器
Ｂ１〜Ｂ６  制御弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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